(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710132899.6
(22)申请日 2017.03.08
(71)申请人 西北工业大学
地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号
(72)发明人 刘国元 王莹 李征
(74)专利代理机构 西北工业大学专利中心
61204
代理人 王鲜凯
(51)Int.Cl.
G01K 7/02(2006.01)
G01K 7/13(2006.01)
G01K 7/14(2006.01)
(54)发明名称一种基于MAX31856的热电偶测温仪及测试方法(57)摘要本发明涉及一种基于MAX31856的热电偶测温仪及测试方法，选择Maxim公司最新推出的MAX31856作为热电偶数字转换器。MAX31856内置19位模/数转换器(ADC)。MAX31856具有内部温度传感器，可进行热电偶冷端自动补偿功能。MAX31856内部具有支持不同分度号的热电偶的温度查询表，温度查询表可对热电偶温度数据进行非线性修正。本发明解决了热电偶冷端补偿问题、解决了热电偶测温的非线性校正问题。该测温仪的温度分辨能力为0.0078125℃。热电偶电压测量精度达±0.15％。本测温仪即可便携使用，也可与电脑相连实时显示数据，极大方便工程技术人员的工作， 具有一定的实用价值。权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 106885639 A 2017.06.23
C N 106885639
A
1.一种基于MAX31856的热电偶测温仪，其特征在于包括热电偶、MAX31856热电偶模数数字转换器和ARM主控芯片；热电偶与MAX31856热电偶模数数字转换器的连接关系为：热电偶两端分别通过2KΩ电阻连接T+和T-端口，其中连接T-端口的热电偶一端通过2KΩ电阻连接BIAS端口；T+和T-之间连接100nF电容，AVDD端口连接0.1μF陶瓷电容，旁路至GND；T+与GND之间连接10nF电容，T-与GND之间连接10nF电容；MAX31856热电偶模数数字转换器与ARM 主控芯片通过SPI接口进行数据交
换；ARM主控芯片将温度测量值通过SPI接口输出至OLED 进行实时显示。
2.根据权利要求1所述基于MAX31856的热电偶测温仪，其特征在于：所述100nF电容为陶瓷表贴电容。
3.一种利用权利要求1或2所述任一项基于MAX31856的热电偶测温仪测试温度的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：主控芯片根据所使用的热电偶分度号，读取MAX31856热电偶模数转换器中经过冷端自动补偿后的温度值，同时读取热电偶状态数据；
步骤2：主控芯片根据热电偶状态数据判断热电偶是否工作正常？如果热电偶有故障，则显示故障类型并排除故障；如果热电偶工作正常则进行下一步；
步骤3：主控芯片将温度值送OLED进行实时显示，将温度值通过串口上传至工控机存储或显示。
权 利 要 求 书1/1页CN 106885639 A
一种基于MAX31856的热电偶测温仪及测试方法
技术领域
[0001]本发明属于热电偶测温仪，具体涉及一种基于MAX31856的热电偶测温仪及测试方法。
背景技术
[0002]温度是工业生产和科研过程中一个重要的技术指标。目前，主要使用铂电阻和热电偶测量温度。铂电阻温度传感器具有测量精度高、重复性好、稳定性强等优点，但其缺点是测温响应时间较慢；热电偶温度传感器具有构造简单、温度测量范围宽、测温响应时间相对较快等优点，缺点是需要进行冷端补偿、测量精度略差、温度测量存在非线性补偿问题。本文介绍一种热电偶测温电路，很好的解决了热电偶冷端补偿、非线性校正问题，有助于各种分度号的热电偶在科研、生产过程中得到广泛使用。
发明内容
[0003]要解决的技术问题
[0004]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于MAX31856的热电偶测温仪及测试方法，很好的解决了热电偶冷端补偿、非线性校正问题，有助于各种分度号的热电偶在科研、生产过程中得到广泛使用。
[0005]技术方案
[0006]一种基于MAX31856的热电偶测温仪，其特征在于包括热电偶、MAX31856热电偶模数数字转换器和ARM主控芯片；热电偶与MAX31856热电偶模数数字转换器的连接关系为：热电偶两端分别通过2KΩ电阻连接T+和T-端口，其中连接T-端口的热电偶一端通过2KΩ电阻连接BIAS端口；T+和T-之间连接100nF电容，AVDD端口连接0.1μF陶瓷电容，旁路至GND；T+与GND之间连接10nF电容，T-与GND之间连接10nF电容；MAX31856热电偶模数数字转换器与ARM 主控芯片通过SPI接口进行数据交换；ARM主控芯片将温度测量值通过SPI接口输出至OLED 进行实时显示。
[0007]所述100nF电容为陶瓷表贴电容。
[0008]一种利用所述任一项基于MAX31856的热电偶测温仪测试温度的方法，其特征在于步骤如下：
[0009]步骤1：主控芯片根据所使用的热电偶分度号，读取MAX31856热电偶模数转换器中经过冷端自动补偿后的温度值，同时读取热电偶状态数据；
[0010]步骤2：主控芯片根据热电偶状态数据判断热电偶是否工作正常？如果热电偶有故障，则显示故障类型并排除故障；如果热电偶工作正常则进行下一步；
[0011]步骤3：主控芯片将温度值送OLED进行实时显示，将温度值通过串口上传至工控机存储或显示。
[0012]有益效果
[0013]本发明提出的一种基于MAX31856的热电偶测温仪及测试方法，选择Maxim公司最
新推出的MAX31856作为热电偶数字转换器。MAX31856内置19位模/数转换器(ADC)。MAX31856具有内部温度传感器，可进行热电偶冷端自动补偿功能。MAX31856内部具有支持不同分度号的热电偶的温度查询表，温度查询表可对热电偶温度数据进行非线性修正。本发明解决了热电偶冷端补偿问题、解决了热电偶测温的非线性校正问题。该测温仪的温度分辨能力为0.0078125℃。热电偶电压测量精度达±0.15％。本测温仪即可便携使用，也可与电脑相连实时显示数据，极大方便工程技术人员的工作，具有一定的实用价值。
附图说明
[0014]图1：热电偶原理图
[0015]图2：MAX31856内部结构
[0016]图3：采用MAX31856与热电偶的接线测温电路
[0017]图4：热电偶测温仪原理图
[0018]图5：本方法测温流程示意图
具体实施方式
[0019]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0020] 1.热电偶冷端补偿原理
[0021]两种不同材质的导体A、B组成的闭合回路就构成了热电偶。同一导体当其两端存在温度差时，回路中就会产生电流，此时两端之间就存在电动势，该电动势被称为热电势。热电偶两端为两个热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为冷端(自由端)，冷端通常处于某个恒定的温度。根据热电偶测温原理可知，热电偶产生的总电动势等于两个接点所产生的热电动势之差。
[0022]E AB(T,T0)＝E AB(T)-E AB(T0) (1)
[0023]E AB(T,T0)：通过测量得出的热电势；
[0024]E AB(T)：热端的电动势；
[0025]E AB(T0)：冷端的电动势；
[0026]当T0＝0℃时：
[0027]E AB(T,0)＝E AB(T)-E AB(0) (2)
[0028]用(2)减去(1)得：
[0029]E AB(T,0)-E AB(T,T0)＝(E AB(T)-E AB(0))-(E AB(T)-E AB(T0)) (3)
[0030]E AB(T,0)-E AB(T,T0)＝E AB(T0)-E AB(0) (4)
[0031]因为：
[0032]E AB(T0)-E AB(0)＝E AB(T0,0) (5)
[0033]所以：
[0034]E AB(T,0)-E AB(T,T0)＝E AB(T0,0) (6)
[0035]E AB(T,0)＝E AB(T,T0)+E AB(T0,0) (7)
[0036]E AB(T,0)：补偿后的热电偶电动势；
[0037]E AB(T,T0)：通过测量得出的热电势；
[0038]E AB(T0,0)：冷端温度T0相对0℃时的热电势。
[0039]由公式(7)可见，只要将实测热电势E AB(T,T0)加上冷端修正热电势E AB(T0，0)就可得到热电偶热电势E AB(T,0)，然后通过查标准分度表，即可得知热端温度。
[0040] 2.温度变换器MAX31856
[0041]MAX31856是美国MAXIM公司生产的带有冷端补偿、非线性校正、热电偶开路检测、热电偶故障检测的热电偶模数转换器。它的温度分辨能力为0.0078125℃。热电偶电压测量精度达±0.15％。冷端补偿范围为-20～+85℃，工作电压为3.3V。
[0042]在工业温度测控场合，热电偶因其价格便宜、测量范围宽而得到广泛的使用.但它往往需要冷端补偿，且电路较复杂，调试麻烦。而MAXIM公司生产的热电偶模数转换器MAX31856不但可将模拟信号转换成19bit的数字量，而且自带冷端补偿、非线性校正。其温度分辨能力达0.0078125℃，可以满足绝大多数工业应用场合。MAX31856采用SO-14封装，体积小，可靠性好。
[0043]MAX31856内部结构
[0044]MAX31856热电偶数字转换器内部结构如图2所示。主要功能包括：输入保护、故障检测、可编程增益放大器、19位模/数转换器(ADC)、热电偶非线性校正、冷端补偿检测和补偿、数字控制器、SPI串行接口。
[0045]采用MAX31856的测温电路
[0046]使用MAX31856测温时，将热电偶引线连接到输入T+和T-。如图3所示，确保要将热电偶引线连接到正确的输入端。BIAS输出偏置大约在0.735V，将BIAS输出连接到T-，使热电偶偏置在共模输入范围之内。
[0047]MAX31856内置±45V输入保护电路，可防止T+、T-或BIAS上的过压造成IC损坏。为防止出现可能发生的较大的输入故障，应增加输入保护电路。给T+、T-及BIAS端串联合适的电阻能够提高MAX31856承受的故障电压的能力。
[0048]由于涉及到小信号处理，热电偶温度测量很容易受电源耦合噪声的影响。在靠近VDD引脚的位置安装0.1μF陶瓷电容，旁路至GND，将电源噪声的影响降至最低。输入放大器为低噪声放大器，该放大器可以对输入进行高精度检测。确保热电偶和连线远离电气噪声源。在T+和T-引脚之间安装100nF陶瓷表贴电容，以滤除热电偶引线上的噪声。在噪声水平较高的环境下，尤其是明显的射频场，除了T+和T-之间的100nF电容外，还应在T+和GND之间安装一个10nF电容，在T-和GND之间也
安装一个10nF电容。根据噪声的性质，可修改这些电容值。噪声源较大时，可能需要采取其它技术措施，例如增加串联电阻以及屏蔽热电偶引线和电路板。
[0049]MAX31856工作原理：MAX31856输入放大器和ADC对热电偶的输出电压E AB(T,T0)进行放大和数字转换。内部温度传感器测量冷端温度E AB(T0,0)。利用内部查表(LUT)，确定所选热电偶类型与冷端温度对应的ADC编码。将热电偶编码和冷端编码进行求和，产生与冷端补偿热电偶温度对应的编码。最后，利用LUT得到以℃为单位的冷端补偿输出码。[0050]热电偶测温仪设计，见图4
[0051]设计目的：热电偶测温仪可支持不同分度号的热电偶(K、J、N、R、S、T、E和B)进行温度测量。热电偶测温仪具有热电偶开路、热电偶故障检测功能。为提高热电偶测温仪的可靠性，该热电偶测温仪具有对50Hz和60Hz噪声及其谐波的抑制功能。该热电偶测温仪具有通过串口上传温度数据功能、具有便携显示实时温度数据功能。
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